【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 2 個(gè)小時(shí)，從而獲得排除故障時(shí)間，若是由于雷擊引起的絕緣閃絡(luò)，則絕緣可能自行恢復(fù)，相對(duì)地提高了供電的可靠性。中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)線路不太長(zhǎng)時(shí)能自動(dòng)消除單相接地故 障，而不需要跳閘 [1]。 中性點(diǎn)不接地方式的缺點(diǎn)是因其中性點(diǎn)是絕緣的，電網(wǎng)對(duì)地電容中儲(chǔ)存的能量沒(méi)有釋放通路。在發(fā)生弧光接地時(shí)，由于對(duì)地電容中的能量不能釋放，造成電壓升高，從而產(chǎn)生弧光接地過(guò)電壓或諧振過(guò)電壓，其值可達(dá)很高的倍數(shù)，對(duì)設(shè)備絕緣造成威脅。此外，由于電網(wǎng)存在電容和電感元件，在一定條件下，因倒閘操作或故障，容易引發(fā)線性諧振或鐵磁諧振，這時(shí)饋線較短的電網(wǎng)會(huì)激發(fā)高頻諧振，產(chǎn)生較高諧振過(guò)電壓，導(dǎo)致電壓互感器擊穿。對(duì)饋線較長(zhǎng)的電網(wǎng)卻易激發(fā)起分頻鐵磁諧振，在分頻諧振時(shí)，電壓互感器呈較小阻抗，其通過(guò)電流將成倍增加， 引起熔絲熔斷或電壓互感器過(guò)熱而 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 12 損壞。 為了解決中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相接地時(shí)引起的一些后果，早期曾采取過(guò)故障相自動(dòng)接地的措施，但由于這一措施不能解決過(guò)電壓的問(wèn)題，且無(wú)助于將故障線路選擇出來(lái)予以切除，故不久被另兩個(gè)措施取代了，即中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和經(jīng)電阻接地。 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地通常稱為諧振接地，消弧線圈消弧的原理是：一、消弧線圈的電感電流補(bǔ)償了電網(wǎng)的接地電容電流，使故障點(diǎn)的接地電流變?yōu)閿?shù)值顯著減小的殘余電流，所以殘流過(guò)流時(shí)電弧就容易熄滅。二、由于消弧線圈的作用，降低了恢復(fù)電壓的初速度，延長(zhǎng)了故障相電壓的恢復(fù)時(shí)間，并限制了恢復(fù)電壓的最大值，從而可以避免接地電弧的重燃，達(dá)到徹底消弧的目的。 我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“對(duì) 3kV～ 10kV 鋼筋混凝土或金屬桿塔的架空線路當(dāng)單相接地故障電容電流超過(guò) 10A， 3kV～ 10kV 電纜線路當(dāng)單相接地故障電容電流超過(guò)30A，又需在接地故障條件下運(yùn)行時(shí)，應(yīng)采用消弧線圈接地方式”。 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式的優(yōu)點(diǎn)是：在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，流過(guò)接地點(diǎn)的電流較小，其特點(diǎn)是線路發(fā)生單相接地時(shí)，可不立即跳閘，按規(guī)程規(guī)定電網(wǎng)可帶單相接地故障運(yùn)行 2小時(shí)。從實(shí)際運(yùn)行 經(jīng)驗(yàn)和資料表明，當(dāng)接地電流小于 10A 時(shí)，利用消弧線圈的電感電流補(bǔ)償配電網(wǎng)的電容電流，使接地點(diǎn)殘流減小，故障相接地電弧的恢復(fù)電壓上升速度降低，以致電弧能夠自行熄滅，從而提高配電網(wǎng)的供電可靠性。另外，中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)還具有人身設(shè)備安全性好、電磁兼容性強(qiáng)和運(yùn)行維護(hù)工作量小等一系列優(yōu)點(diǎn)。 但是這種接地方式也存在著自身的缺點(diǎn)：消弧線圈的運(yùn)行要求比較苛刻，如果補(bǔ)償過(guò)多或過(guò)少，使得接地殘流過(guò)大，則不易熄滅電弧，而剛好完全補(bǔ)償，則容易產(chǎn)生諧振過(guò)電壓，而且由于消弧線圈的補(bǔ)償，接地殘流過(guò)小，接地故障辯識(shí)、故障選線困難。 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地時(shí)，由于接地點(diǎn)殘流很小，且根據(jù)規(guī)程要求消弧線圈必須處于過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，接地線路和非接地線路流過(guò)的零序電流方向相同，故零序過(guò)流、零序方向保護(hù)無(wú)法檢測(cè)出已接地的故障線路。 因目前運(yùn)行在電網(wǎng)的消弧線圈大多為手動(dòng)調(diào)匝的結(jié)構(gòu)，必須在退出運(yùn)行才能調(diào)整，也沒(méi)有在線實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)單相接地電容電流的設(shè)備，故在運(yùn)行中不能根據(jù)電網(wǎng)電容電流的變化及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以不能很好的起到補(bǔ)償作用，仍出現(xiàn)弧光不能自滅及過(guò)電壓?jiǎn)栴}。 不過(guò)由于微機(jī)接地保護(hù)和微機(jī)選線裝置的出現(xiàn)，尤其是近年來(lái)，自動(dòng)消弧裝置的出現(xiàn)，使得經(jīng)消弧線圈接地方式存在的 這些問(wèn)題都有了很好的解決，它能夠在單相接地發(fā)生時(shí)，精確補(bǔ)償系統(tǒng)電容電流，有效熄滅接地點(diǎn)的電弧，使單相接地不致發(fā)展成相間短路而引起線路跳閘，從而保證了設(shè)備安全和可靠供電?？梢?，中性點(diǎn)采用經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)具有很高的運(yùn)行可靠性。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 13 中性點(diǎn)經(jīng)高值電阻接地 中性點(diǎn)經(jīng)高值電阻接地方式，即是中性點(diǎn)與大地之間接入一定電阻值的電阻，該電阻與系統(tǒng)對(duì)地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，其單相接地故障時(shí)的電阻電流被限制到等于或略大于系統(tǒng)總電容電流。由于電阻是耗能元件，也是電容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對(duì)防止諧振過(guò)電壓和間歇性 電弧接地過(guò)電壓，能減少電弧接地過(guò)電壓的危險(xiǎn)性，并使靈敏而有選擇性的接地保護(hù)得以實(shí)現(xiàn)，對(duì)臨近通信線路的干擾也較弱，有一定優(yōu)越性。高電阻接地方式是以限制單相接地故障電流為目的，并可以防止阻尼諧振過(guò)電壓和間歇性電弧接地過(guò)電壓。 中性點(diǎn)經(jīng)高值電阻接地電網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：基本上消除產(chǎn)生間歇電弧過(guò)電壓的可能性，由于健全相過(guò)電壓降低，產(chǎn)生異地兩相接地的可能性也隨之減少；單相接地時(shí)電容充電的暫態(tài)過(guò)電流受到抑制；使故障線路的自動(dòng)檢出較易實(shí)現(xiàn)；能抑制諧振過(guò)電壓。 這種接地方式看上去與消弧線圈接地方式相似，但性質(zhì)不同，消弧線圈是接近于開路的純感性元件，感性電流與容性電流相位差 180ｏ ，對(duì)電容電流起補(bǔ)償作用：而經(jīng)高電阻接地方式以電阻為主，與容性電流接近 90ｏ 的相位差，接地電流是容性電流和電阻性電流的相量和。因此我們可以看出經(jīng)高電阻接地方式具有經(jīng)消弧線圈接地方式所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，由于接地電流中有較大的電阻分量，它對(duì)諧振有明顯的阻尼和加速衰減作用；同時(shí)能可靠的避免出現(xiàn)諧振條件，還可以有效的抑制電壓互感器鐵磁諧振，這對(duì)保證發(fā)電機(jī)的絕緣安全是非常重要的；另外這種方式可以快速的選出接地相，使保護(hù)動(dòng)作，示警。 但是在中性點(diǎn)為高電阻接地方式的情況下，為使 接地電弧瞬時(shí)熄滅，一般說(shuō)來(lái)單相接地電容應(yīng)不大于 10A，所以適用范圍受到限制，只宜在規(guī)模較小的 10kV 及以下電網(wǎng)中應(yīng)用。當(dāng)接地電容電流超過(guò)限定值后，此種接地方式不再適用，而需要變?yōu)槠渌拥胤绞搅恕？梢姡行渣c(diǎn)經(jīng)高阻接地方式還不如中性點(diǎn)不接地方式方便。 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地 我國(guó)部分地區(qū)，由于近幾年城市建設(shè)步伐加快，架空線路不斷下地，電纜線路的比重逐年上升。但隨著電纜線路的增多，電容電流不斷增大，而我國(guó)大多中壓電網(wǎng)采用的是經(jīng)消弧線圈接地方式。在實(shí)際運(yùn)行中，這種接地方式暴露出了以下的缺點(diǎn)： （ 1） 為適應(yīng)不 斷增長(zhǎng)的電容電流的要求，需不斷增加消弧線圈數(shù)量以增加其補(bǔ)償容量，很不經(jīng)濟(jì)； （ 2） 消弧線圈數(shù)量太多，導(dǎo)致對(duì)分接頭的及時(shí)調(diào)整有困難，若電容電流計(jì)算值或測(cè)量值不準(zhǔn)確，補(bǔ)償度調(diào)節(jié)不好，系統(tǒng)接地時(shí)易出現(xiàn)諧振過(guò)電壓； 發(fā)生單相接地故障時(shí)，另兩相電壓升高，對(duì)一些因施工質(zhì)量或其他原因?qū)е碌碾娎|絕緣薄弱點(diǎn)，在試?yán)€路或線路分段過(guò)程中，易引起其他相絕緣損壞。鑒于以上 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 14 因素，我國(guó)如上海、廣州、北京及青島等地已采用中性點(diǎn)經(jīng)小電阻 接地方式運(yùn)行了多年，取得了不少寶貴經(jīng)驗(yàn)。以青島南京路站 35kV 系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)電壓變比為 23 ，接地組別為 Y/ ? /Y，其中 220kV、 35kV 為雙母線帶旁路接線，由于主變 35kV 側(cè)為 ?形接線，沒(méi)有中性點(diǎn)引出線，因此采用 Z型變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地的方式，而此種接地方式屬于大電流接地系統(tǒng)。該變電站為了減少接地變的停電幾率，單獨(dú)增設(shè) Z型接地變接于變壓器的出口處，如圖 所示。 （ 3） 對(duì)于中性點(diǎn)不同的接地方式，單相接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程是不相同的。對(duì)于暫態(tài)過(guò)程比較復(fù)雜經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，我們將著重討論其單相接地時(shí)情況。 圖 21 Z 型接地變 諧振接地系統(tǒng)單相接地故障分析 當(dāng)中性 點(diǎn)不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，在接地點(diǎn)要流過(guò)全系統(tǒng)的對(duì)地電容電流，如果此電流比較大，就會(huì)在接地點(diǎn)燃起電弧，引起弧光電壓，從而使非故障相的對(duì)地電壓進(jìn)一步升高，最終使絕緣損壞，造成停電事故，為了解決這個(gè)問(wèn)題，通常在中性點(diǎn)接入一個(gè)電感線圈，如圖 所示，這樣當(dāng)單相接地時(shí)，在接地點(diǎn)就有一個(gè)電感分量的電流通過(guò)，此電流和原系統(tǒng)中的電容電流相抵消，就可以減少流過(guò)故障點(diǎn)的電流，因此，稱它為消弧線圈。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 15 圖 22 諧振接地系統(tǒng)單相接地時(shí)的電流分布圖 圖 22中 C C C5和 Cf等表示各線路對(duì)地電容， Ln表示消弧線圈電 感， Lr表示等效電感， Rf表示接地點(diǎn)的過(guò)渡電阻， F F2為接地點(diǎn)，在 F1點(diǎn)故障即為線路故障，在 F2點(diǎn)故障即為母線故障。 在諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)接地電流由暫態(tài)電容電流和暫態(tài)電感電流兩部分組成。由于兩者的頻率和幅值顯著不同，在暫態(tài)過(guò)程中就不能互相補(bǔ)償。為了分析這一暫態(tài)過(guò)程，我們?nèi)孕枰獜闹C振接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的等值回路談起，在諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的瞬間，可利用圖 23所示的等值回路，分析流過(guò)故障點(diǎn)的暫態(tài)電容電流、暫態(tài)電感電流和暫態(tài)接地電流。 圖 23 計(jì)算 單相接地暫態(tài)電流的等值回路 圖 23中， C表示諧振接地系統(tǒng)的三相對(duì)地電容， L0表示三相線路和電源變壓器等在零序回路中的等值電感， R0表示零序回路中的等值電阻（其中包括故障點(diǎn)的接地電阻和弧道電阻）， rL、 L分別表示消弧線圈的有功損耗電阻和電感， U0表示等效零序 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 16 電源。 圖 23中的等值回路適用于分析補(bǔ)償電網(wǎng)中各種單相接地故障瞬間的暫態(tài)過(guò)程。當(dāng)發(fā)生單相金屬接地時(shí)，圖中的 R0和 L0可根據(jù)三相線路和電力變壓器的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)可以不考慮故障點(diǎn)的接地電弧和弧道電阻，零序回路的參數(shù)也最容易確定，而且所得結(jié)果是足夠準(zhǔn)確的 ，故以下我們分析單相金屬接地時(shí)的暫態(tài)過(guò)程。 暫態(tài)電容電流 在分析電容電流的暫態(tài)特性時(shí)，因其自由振蕩頻率一般較高，考慮到消弧線圈的電感 LL0，故圖 中的 rL和 L可以不予考慮。這樣利用 C 、 L0 、 R0組成的串聯(lián)回路和作用于其上的零序正弦電源電壓 u0，便可以確定暫態(tài)的電容電流 Ic。 根據(jù)圖 可寫出下面的微分方程式： R0ic+L0dtdic+ ?tocic1dt=UΦ msin(ω t+? ) (21) 當(dāng) R02CL0時(shí)，回路電流的暫態(tài)過(guò)程具有周期性的振蕩及衰減特性；當(dāng) R0≤2CL0時(shí)，回路電流則具有非周期性的振蕩衰減特性，并逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因?yàn)榧芸站€的波阻抗為 250Ω～ 500Ω，同時(shí)，故障點(diǎn)的接地電阻一般較小，弧道電阻又?？珊雎圆挥?jì)，一般都滿足 R02CL0的條件，所以，電容電流具有周期性的衰減特性，其自由振蕩頻率一般 為 300～ 1500Hz，電纜線路的電感遠(yuǎn)較架空線路小，而對(duì)地電容卻較后者大許多倍，但一般電纜線路仍滿足 R02CL0的條件，故電容電流仍具有周期性的衰減振蕩特性，但它暫態(tài)過(guò)程的振蕩頻率很高，持續(xù)時(shí)間很短，其自由振蕩頻率一般為 1500～ 3000Hz。 因?yàn)闀簯B(tài)電容電流 ic是由暫態(tài)自由振蕩分量 ic′和穩(wěn)態(tài)工頻分量 ic″兩部分組成，利用 t=0時(shí) ic′＋ ic″ =0 這一初始條件和 Icm=UФ mω C 的關(guān)系，經(jīng)過(guò)拉氏變換運(yùn)算可得： ic= ic′＋ ic″ =Icm[(??f sin?sinω t － cos? cos f? t) te?? +cos(ω t+?)] (22) 式中， UФ m 為相電壓的幅值， Icm 為電容電流的幅值， ω f 為暫態(tài)自由振蕩分量的角頻率，δ =1/?c=R0/2L0，為自由振蕩分量的衰減系數(shù)，其中的 ?c為回路的時(shí)間常數(shù)。 若系統(tǒng)的 運(yùn)行方式不變，則 ?c為一常數(shù)。當(dāng) ?c較大時(shí)，自由振蕩衰減較慢；反之，則衰減較快。因?yàn)槭剑?22）中的自由振蕩分量 ic′中含有 sin?和 cos?兩個(gè)因子， 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 17 故從理論上講，在相角為任意 ?值發(fā)生接地故障時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生自由振蕩分量。當(dāng) ?＝ 0 (即故障發(fā)生在相電壓零值 ) 時(shí)，其值最小，當(dāng) ?＝ ?/2(即故障發(fā)生在相電壓峰值 ) 時(shí)，其值最大，電容電流的自由振蕩分量 ic′的振幅表現(xiàn)為最大 Icmax′，時(shí)間為t=Tf/4(Tf =2?/ω f)，其值為： Icmax= Icm ??f )4( cfTTe? (23) 由式 (23)可知，暫態(tài)自由振蕩電流分量的最大幅值 Icmax′與自振角頻率 ω f和工頻角頻率 ω 之比成正比。它可能較穩(wěn)態(tài)值大幾倍或幾十倍。 暫態(tài)電感電流 根據(jù)非線性電路的基本理論，暫態(tài)過(guò)程中的鐵心磁通與鐵心不飽和時(shí)的方程式相同，因此，只要求出暫態(tài)過(guò)程中消弧線圈的鐵心磁通表達(dá)式，消弧線圈中的電感電流便迎刃而解了。 根據(jù)圖 可寫出下列微分方程式： UФ msin(ω t＋ ? )＝ RLiL+W dtdL? (24) 式中， W為消弧線圈相應(yīng)分接頭的線圈匝數(shù)， ?L為消弧線圈鐵心中的磁通。因?yàn)樵谘a(bǔ)償電流的工作范圍內(nèi)，消弧線圈的磁化特性曲線應(yīng)保持線性關(guān)系，故 iL=LLW?。因前面已假定三相的對(duì)地電容彼此相等，故在接地故障開始之前，消弧線圈中沒(méi)有電流通過(guò)，即 ?L 為零。利用這一初始條件，同時(shí)將 iL 的值代入式（ 2－ 4）便可求得磁通?L的方程式： ? L＝ ? L″ ZL? [cos(? +?) Lte ? cos(ω t +? +?)] (25) 式中 ? L″＝ WUm?? ， 為穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的磁通； ?＝ tg1 LRL? w，為補(bǔ)償